一种多直流电网故障快速隔离的站域失灵保护系统和方法与流程
本发明涉及一种多直流电网故障快速隔离的站域失灵保护系统和方案，属于电力系统继电保护领域。
背景技术：
特高压电网建设过渡期，电网“强直弱交”特征突出，风电、光伏等新能源设备并网容量持续增长，电网格局与电源结构发生重大改变，基于传统交流系统形成的认识方法、防御理念、控制技术已滞后于特高压交直流电网运行实践。国内近些年已经相继发生多次由于交流系统故障，引起直流系统换相失败的事件。交流电网故障导致的交流电压幅值的跌落、波形的畸变，引发换流母线电压跌落和畸变，直流系统可能将微小的扰动进行功率放大，并在送受端之间传导。
交流系统发生短路故障后，可能由于断路器断路器失灵无法快速切除故障，故障持续时间变长，增加直流连续换相失败或直流闭锁风险，易引发大规模功率震荡，潮流大范围转移，可能造成其它连锁故障，后果十分严重。特高压交直流混联电网发生直流换向失败，会引发电网200ms左右的功率波动，造成电网大范围潮流转移。传统失灵保护动作时间大约为400ms，关于失灵保护的研究局限于利用交流系统判据优化，存在一定的局限性，不能彻底解决ct拖尾的影响，难以大幅缩短失灵保护切除故障时间，无法解决故障期间直流连续换向失败，不能完全满足特高压交直流电网稳定运行要求。
技术实现要素：
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种实现多直流电网故障快速隔离的站域失灵保护系统和方法，有效缩短失灵故障和死区故障的切除时间，降低由于交流系统故障造成直流换相失败和闭锁的风险，保障大电网运行安全，
为实现上述目的，本发明采用的技术方案，具体如下：
一种多直流电网故障快速隔离的站域失灵保护系统，包括站控层、间隔层和过程层，自上而下采用主站、子站的分层配置，子站配置在间隔层，实现变电站运行数据采集，主站配置在站控层，通过子站获取全站信息和站域失灵保护动作出口。
主站基于变电站进行配置，子站基于串进行配置；
每个变电站配置一个主站，主站通过子站获取全站的电压信息、电流信息、断路器状态信息和继电保护动作信息；相邻变电站主站间通信连接，主站获得相邻变电站的信息；主站接入时间同步装置信号；
子站包括串子站和变压器子站，串子站基于变电站串进行配置，每个变电站串配置一个串子站；变压器子站基于变压器配置，每个变压器单独配置一个变压器子站；子站接入时间同步装置信号；
串子站获取变电站串内运行信息，变电站串内运行信息包括：变电站串内的实时电流信息、电压信息、断路器位置信息和线路保护信息；变压器子站获取变压器三侧信息(三卷变压器高、中、低三侧)，变压器三侧信息包括实时变压器三侧的电流信息、电压信息、断路器位置信息和主变保护动作信息；子站获取串内运行信息或变压器三侧信息后上送到主站；
主站获取各串子站上送的信息和变压器子站的信息，接收母线保护动作信息，通过相邻主站获取变电站相连线路对侧信息和对侧线路保护动作信息。
一种多直流电网故障快速隔离的站域失灵保护方法，包括以下步骤：
步骤1：控制子站上送变电站串内运行信息和变压器三侧信息至主站，主站获得全站信息；
步骤2：相邻主站交换关联线路信息，主站获得全域信息；
步骤3：根据电网发生故障，主站根据继电保护动作信息和开关位置信息构建差动环，进行差动环配置，继电保护发出动作信息；
步骤4：启动站域失灵保护逻辑，根据继电保护发出的动作信息，控制子站封锁相应断路器的电流互感器；
步骤5：根据封锁电流互感器的信息，主站启动差动环保护判据；差动环保护判据替代传统失灵保护判据；
步骤6：站域失灵保护动作出口，断路器跳闸，差动环差动电流返回。
步骤1具体包括以下步骤：
(101)，串子站获取变电站串内运行信息，串子站获取到变电站串内的实时信息后，根据数据时标进行同步处理；
(102)，变压器子站接入变电站变压器三侧信息，变压器子站获取到变电站变压器的实时信息后，根据数据时标进行同步处理；
(103)，串子站和变压器子站将获取的实时信息上送至主站，母线差动环保护将动作信息实时上送到主站，主站获取到全站信息；
(104)，主站根据全站信息中的时标数据，对全站信息进行同步处理，主站获取全站统一时标的全站信息。
步骤2具体包括以下步骤：
(201)相邻主站交换关联线路的实时信息，主站获取到变电站内所有断路器的实时信息；
(202)根据相邻主站交换的实时信息中的时标数据进行同步处理，主站获取到具有统一时标的全域信息。
差动环包括线路差动环和母线差动环；线路差动环为围绕线路的断路器的电流互感器(ct)所围成的最小差动区域；母线差动环为围绕母线的断路器的电流互感器所围成的最小差动区域；线路差动环包括第一线路差动环和第二线路差动环；第一线路差动环为边开关断路器的电流互感器所围成的最小差动区域；第二线路差动环为中开关断路器的电流互感器所围成的最小差动区域。
步骤3具体包括以下步骤：
(301)，差动环配置按照母线差动环和线路差动环进行配置；
母线差动环按照母线进行配置，一个母线配置一个母线差动环；无故障情况下流入母线差动环的矢量电流为零，母线差动环用于线路保护动作后，边开关失灵拒动；
线路差动环按照线路进行配置，一条线路配置一个线路差动环；线路差动环包括连接线路的两侧变电站的中开关断路器与边开关断路器，无故障情况下流入线路差动环的矢量电流为零；
(302)如果线路发生故障，线路保护动作，串子站接收到线路保护动作信息后，将线路保护动作信息上送至主站；
(303)如果母线发生故障，母线差动环保护动作，将母线差动环保护动作信息发送到主站。
步骤4具体包括以下步骤：
(401)如果母线差动环保护动作，发生边开关死区故障，子站接收到边开关断路器跳位，主站通过子站监测边开关断路器由合位变为跳位；边开关断路器所在串的子站接收到边开关断路器跳位后，边开关封锁断路器侧的电流传感器，子站上传边开关断路器侧电流传感器电流为零；
(402)如果发生母线差动环保护动作后，边开关断路器失灵拒跳，边开关断路器所在串子站未收到断路器跳位，主站未收到子站上送的边开关断路器跳位；
边开关断路器所在子站判断边开关断路器失灵，边开关断路器拒跳；子站将边开关断路器拒跳结果上送至主站；
主站接收到母差保护的边开关断路器保护动作信号，接收到子站上送的边开关断路器拒跳信号；
子站封锁边开关断路器所对应的电流互感器，上送至主站的边开关断路器的电流为零，
站域失灵保护的主站构建第一线路差动环的差动电流，差动电流越限；
(403)如果发生线路保护动作后，边开关断路器失灵拒动；主站接收到边开关断路器被跳命令；
子站封锁断路器所对应的电流传感器，上送至主站的断路器的电流为零，
站域失灵保护的主站构建母线差动环的差动电流，差动电流越限；
(404)如果发生线路保护动作后，中开关断路器失灵拒动；主站接收到中开关断路器被跳命令；
子站封锁中开关断路器所对应的电流互感器，上送至主站的中开关断路器的电流为零，
站域失灵保护的主站构建第二线路差动环的差动电流，差动电流越限。
差动环保护判据具体包括以下步骤：
站域失灵保护的主站构建差动环的差动电流，差动电流越限，启动动环的失灵保护；差动环有y个支路，每个支路的电流为iφx(x＝1,2...y)，所述差动环的失灵保护常规比例差动启动元件的差动电流为：
其中，φ表示三相电流a、b、c任意一相，idφ为差动电流，
所述差动环的失灵保护突变量比例差动启动元件的突变量差动电流为：
其中，δidφ为突变量差动电流，
失灵保护常规比例差动启动元件与失灵保护突变量比例差动启动元件之间是逻辑“或”的关系；
差动环的失灵保护比例差动元件的差动电流、制动电流和突变量差动启动门槛值为：
其中，irφ为制动电流，iset为差动电流门槛值，
所述差动环的失灵保护突变量比例差动元件的差动电流、突变量差动电流为：
其中，kr'为突变量比例制动系数；δirφ为突变量差动电流；
失灵保护比例差动元件和失灵保护突变量比例差动元件为“或”的关系。
本发明有益效果包括：本发明公开一种多直流电网故障快速隔离的站域失灵保护系统，通过主站和子站的分层配置方案，可实现全站电压、电流和断路器位置数据获取。不同主站间可进行信息交互，实现相关联变电站断路器位置、电流数据、线路保护动作等信息交互，扩大了站域失灵保护系统的感知范围。通过站域失灵保护的差动环设计方案，替代传统的失灵保护判据，实现失灵故障和死区故障的快速识别和隔离。
本发明提出了一种实现多直流电网故障快速隔离的站域失灵保护方法，保证在电网发生死区故障后或断路器失灵拒动时，能够将故障切除时间由400ms缩短至200ms左右。由于采用本申请站域失灵保护系方法，直流落点近区发生死区故障或断路器拒动故障时，大幅加快了故障切除速度。电网故障期间低电压持续时间缩短，直流发生多次连续换相失败的概率降低，大大降低了由直流引发的电网暂态能量冲击，降低电网由于暂态能量冲击引发的失稳风险，提高了特高压交直流混联电网安全稳定运行水平。以江苏电网仿真分析结果为例，部分线路断路器拒动后失灵保护动作，缩短故障切除时间后，发生3次连续换相失败的直流，可能只发生2次连续换相失败，系统稳定性大大提高。本发明实现了死区故障和断路器失灵拒动的故障快速识别，提升了失灵保护和死区故障的故障切除速度，提高了电网安全运行水平。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明；
图1为本发明的一种实现多直流电网故障快速隔离的站域失灵保护系统结构示意图；
图2为本发明的主站和子站的配置方法；
图3为本发明一种实现多直流电网故障快速隔离的站域失灵保护方法流程图；
图4为本发明差动环保护判据流程图；
图5位本发明的站域失灵保护逻辑流程图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法达成目的与功效，且为了使该评价方法易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
下面参照附图并结合实例对本发明作进一步描述。
如图1所示，一种多直流电网故障快速隔离的站域失灵保护系统，包括站控层、间隔层和过程层，自上而下采用主站、子站的分层配置，子站配置在间隔层，实现变电站运行数据采集，主站配置在站控层，通过子站获取全站信息和站域失灵保护动作出口。
站域失灵保护主站通过mms通信(iec-61850报文规范)将站域失灵保护动作信息发送到scada系统(数据采集与监视控制系统—supervisorycontrolanddataacquisition)。
如图2所示，主站基于变电站进行配置，子站基于串进行配置；
每个变电站配置一个主站，主站通过子站获取全站的电压信息、电流信息、断路器状态信息和继电保护动作信息；相邻变电站主站间通信连接，主站获得相邻变电站的信息；主站接入时间同步装置信号，具备数据同步能力。
子站包括串子站和变压器子站，串子站基于变电站串进行配置，每个变电站串配置一个串子站；变压器子站基于变压器配置，每个变压器单独配置一个变压器子站；子站接入时间同步装置信号，具备数据同步能力。
串子站获取变电站串内运行信息，包括：变电站串内的实时电流信息、电压信息、断路器位置信息和线路保护信息；变压器子站获取变压器三侧信息(三卷变压器高、中、低三侧)，变压器三侧信息包括实时变压器三侧的电流信息、电压信息、断路器位置信息和主变保护动作信息；子站获取串内运行信息或变压器三侧信息后上送到主站。
主站获取各串子站上送的信息和变压器子站的信息，接收母线保护动作信息，通过相邻主站获取变电站相连线路对侧信息和对侧线路保护动作信息。
如图3所示，一种多直流电网故障快速隔离的站域失灵保护方法，包括以下步骤：
步骤1：控制子站上送变电站串内运行信息和变压器三侧信息至主站，主站获得全站信息；
步骤2：相邻主站交换关联线路信息，主站获得全域信息；
步骤3：根据电网发生故障，主站根据继电保护动作信息和开关位置信息构建差动环，进行差动环配置，继电保护发出动作信息；
步骤4：启动站域失灵保护逻辑，根据继电保护发出的动作信息，控制子站封锁相应断路器的电流互感器；
步骤5：根据封锁电流互感器的信息，主站启动差动环保护判据；差动环保护判据替代传统失灵保护判据；
步骤6：站域失灵保护动作出口，断路器跳闸，差动环差动电流返回。
步骤1具体包括以下步骤：
(101)，串子站获取变电站串内运行信息a，变电站串内运行信包括变电站串的变电站串内的实时电流信息、电压信息、断路器位置信息和线路保护信息；串子站获取到变电站串内的不同间隔、设备的实时信息后，根据数据时标进行同步处理；
(102)，变压器子站接入变电站变压器三侧信息，变压器三侧信息包括变压器三侧的电流信息、电压信息、断路器位置信息和主变保护动作信息，变压器子站获取到变电站变压器的不同间隔、设备的实时信息后，根据数据时标进行同步处理；
(103)，串子站和变压器子站将获取的实时信息上送至主站，母线差动环保护将动作信息实时上送到主站，主站获取到全站信息；
(104)，主站根据全站信息中的时标数据，对全站信息进行同步处理，主站获取全站统一时标的全站信息。
步骤2具体包括以下步骤：
(201)相邻主站交换关联线路的实时信息，包括关联线路的线路电压、电流数据、线路保护动作信息和线路断路器位置信息，主站获取到变电站内所有断路器的实时信息；
(202)根据相邻主站交换的实时信息中的时标数据进行同步处理，主站获取到具有统一时标的全域信息。
如图4所示，差动环包括线路差动环和母线差动环；线路差动环为围绕线路的断路器的电流互感器(ct)所围成的最小差动区域；母线差动环为围绕母线的断路器的电流互感器所围成的最小差动区域；线路差动环包括第一线路差动环和第二线路差动环；第一线路差动环为边开关断路器的电流互感器所围成的最小差动区域；第二线路差动环为中开关断路器的电流互感器所围成的最小差动区域。
步骤3具体包括以下步骤：
(301)差动环配置按照母线差动环和线路差动环进行配置，发生继电保护动作后，主站启动差动环动作逻辑，计算故障位置和失灵保护动作范围，通过子站执行站域失灵保护动作逻辑，断开相应断路器，切除故障。
母线差动环按照母线进行配置，一个母线配置一个母线差动环；母线差动环包括当前母线及其所有支路，无故障情况下流入母线差动环的矢量电流为零，母线差动环用于线路保护动作后，边开关失灵拒动。
线路差动环按照线路进行配置，一条线路配置一个线路差动环；线路差动环包括连接线路的两侧变电站的中开关与边开关，无故障情况下流入线路差动环的矢量电流为零。线路差动环用于母线保护动作后边开关失灵拒跳、边开关死区故障，或者同串另外一条线路保护动作后中开关失灵拒跳。
(302)如果线路发生故障，线路保护动作，串子站接收到线路保护动作信息后，将线路保护动作信息上送至主站；
(303)如果母线发生故障，母线差动环保护动作，将母线差动环保护动作信息发送到主站。
如图5所示，步骤4具体包括以下步骤：
(401)如果母线差动环保护动作，发生边开关死区故障，如图f2点发生故障，子站接收到边开关断路器dl21跳位，主站通过子站监测边开关断路器dl21由合位变为跳位；边开关断路器dl21所在串的子站接收到边开关断路器dl21跳位后，边开关封锁断路器dl21侧的ct，子站上传边开关断路器dl21侧ct电流为零；
第一线路差动环的失灵保护经过防抖处理和时间延时，动作出口，通过子站执行失灵保护动作，保护跳差动环2断路器。
(402)如果发生母线差动环保护动作后，边开关断路器dl21失灵拒跳，边开关断路器dl21所在串子站未收到断路器dl21跳位，主站未收到子站上送的边开关断路器dl21跳位；
边开关断路器dl21断路器所在子站判断边开关断路器dl21失灵，断路器拒跳；子站将边开关断路器dl21拒跳结果上送至主站。
主站接收到母差保护的边开关断路器dl21保护动作信号，接收到子站上送的边开关断路器dl21拒跳信号；
子站封锁边开关断路器dl21所对应的ct，上送至主站的边开关断路器dl21的电流为零，
站域失灵保护的主站构建第一线路差动环的差动电流，差动电流越限；
第一线路差动环的失灵保护经过防抖处理和时间延时，动作出口，通过子站执行失灵保护动作，保护跳线路第一差动环(附图4中差动环2)断路器。
(403)如果发生线路保护动作后，边开关断路器dl21失灵拒动。主站接收到边开关断路器dl21被跳命令；
子站封锁断路器dl21所对应的ct，上送至主站的断路器dl21的电流为零，
站域失灵保护的主站构建母线差动环(附图4差动环1)的差动电流，差动电流越限，启动母线差动环的站域失灵保护逻辑。
母线差动环的失灵保护经过防抖处理和时间延时，动作出口，通过子站执行失灵保护动作，保护跳差母线差动环断路器。
(404)如果发生线路保护动作后，中开关断路器dl22失灵拒动；主站接收到中开关断路器dl22被跳命令。
子站封锁中开关断路器dl22所对应的ct，上送至主站的中开关断路器dl22的电流为零，
站域失灵保护的主站构建第二线路差动环(附图4差动环3)的差动电流，差动电流越限；
第二线路差动环的失灵保护经过防抖处理和时间延时，动作出口，通过子站执行失灵保护动作，保护跳第二线路差动环断路器。
差动环保护判据具体包括以下步骤：：
站域失灵保护的主站构建差动环的差动电流，差动电流越限，启动动环的失灵保护；差动环有y个支路，每个支路的电流为iφx(x＝1,2...y)，所述差动环的失灵保护常规比例差动启动元件的差动电流为：
其中，φ表示三相电流a、b、c任意一相，idφ为差动电流，
所述差动环的失灵保护突变量比例差动启动元件的突变量差动电流为：
其中，δidφ为突变量差动电流，
失灵保护常规比例差动启动元件与失灵保护突变量比例差动启动元件之间是逻辑“或”的关系，只要任一启动元件启动，自动展宽500ms。
差动环的失灵保护比例差动元件的差动电流、制动电流和突变量差动启动门槛值为：
其中，irφ为制动电流，iset为差动电流门槛值，
所述差动环的失灵保护突变量比例差动元件的差动电流、突变量差动电流为：
其中，kr'为突变量比例制动系数，取固定值0.65；δirφ为突变量差动电流。
失灵保护比例差动元件和失灵保护突变量比例差动元件为“或”的关系。
本领域内的技术人员可以对本发明进行改动或变型的设计但不脱离本发明的思想和范围。因此，如果本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同的技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
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